氣缸套等離子束淬火/滲硫?qū)?“等耐磨性”試驗(yàn)研究

齊俊平,王新華,王守忠

(1.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院,河南 周口 466000;2.河南警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系,河南 鄭州 450046;3.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)學(xué)院,河南 商丘 476005)

缸套是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵件之一,其主要失效形式是磨損[1],通過檢測已失效的缸套內(nèi)徑發(fā)現(xiàn),磨損量大多數(shù)自下而上逐漸增大。缸套的使用壽命取決于其最大內(nèi)徑[2],因此,如何減小缸套上部的磨損量,提高其內(nèi)表面磨損均勻性,成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]針對此問題提出了“等耐磨性”處理措施：對工作條件比較苛刻的上部采用強(qiáng)處理,而對工作條件相對優(yōu)越的下部進(jìn)行弱處理。但這種處理措施使缸套內(nèi)表面在缸套的逐漸失效過程中易被磨損成雙“倒喇叭狀”,仍存在一定的不合理性。文獻(xiàn)[4]研究表明,通過改變等離子多元共滲的掃描處理速度、距離和電流等工藝參數(shù),可達(dá)到氣缸套內(nèi)表面“等耐磨性”處理的目的,但存在掃描軌跡較為單一的問題。一般來說,金屬材料的硬度越高,耐磨性越好。文獻(xiàn)[5]控制等離子束淬火工作電流隨掃描行程逐漸增大,使缸套內(nèi)表面的硬度自上而下逐漸提高,基本上實(shí)現(xiàn)了缸套內(nèi)表面的“等耐磨性”。但缸套和環(huán)是配套使用的,如果僅提高缸套內(nèi)表面的硬度,勢必會加大環(huán)的磨損量,也達(dá)不到延長發(fā)動機(jī)整體使用壽命的目的[6]。因此,在提高硬度的同時(shí),還要求缸套內(nèi)表面具有良好的自潤滑性能[7]。相關(guān)研究表明[8-9],采用低溫離子滲硫技術(shù)可在缸套內(nèi)表面制備出FeS薄膜,能夠減少缸套與環(huán)配副時(shí)的磨損量,提高缸套與環(huán)的密封性能,對于提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性等有重大意義。但有關(guān)缸套內(nèi)表面等離子束淬火/滲硫?qū)印暗饶湍バ浴钡难芯磕壳斑€未見報(bào)道。

本研究以某95型柴油機(jī)硼鑄鐵缸套為對象,利用DGR-4M/5A 數(shù)控等離子束專用機(jī)床,選取等距變速組合方式,控制等離子束淬火掃描速度隨工作行程自下而上逐漸降低,實(shí)現(xiàn)非等強(qiáng)化處理,再對缸套內(nèi)表面進(jìn)行低溫離子滲硫處理,分別制備出等離子束淬火和等離子束淬火/滲硫兩種工藝下的缸套試樣,通過臺架試驗(yàn),重點(diǎn)探討了淬火/滲硫缸套 “等耐磨性”機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料為某硼鑄鐵缸套,規(guī)格尺寸為10 mm×200 mm×100 mm,內(nèi)表面顯微硬度為300 HV,化學(xué)成分見表1。

表1 硼鑄鐵缸套化學(xué)成分

1.2 試樣的制備

缸套內(nèi)表面等離子束淬火處理在DGR-4M/5A專用數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行,掃描軌跡選擇交叉網(wǎng)紋,電離介質(zhì)為氬氣,工作行程170 mm(從距缸套下端25 mm處開始掃描)。等離子束淬火工藝參數(shù)優(yōu)化后如下：氬氣氣體流量7.5 m3/h,壓力0.45 MPa,波頭數(shù)16個(gè),電弧電壓50 V,工作電流75 A,掃描距離8 mm,掃描速度在252～146 m/s范圍內(nèi)逐漸降低。將淬火后的缸套內(nèi)壁用丙酮清洗吹干后,采用LDM2-25離子化學(xué)熱處理爐進(jìn)行低溫離子滲硫,滲硫介質(zhì)為固體硫,優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下：工作電流25 A,工作電壓1 000 V,真空度160 Pa,溫度230 ℃(選用WGG2光學(xué)高溫計(jì)測溫),時(shí)間2.5 h。試樣滲硫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫。

1.3 試樣的組織性能測試

水冷條件下分別從裝機(jī)試驗(yàn)前后的缸套上,用線切割法縱向切取試樣若干,尺寸為8 mm×4 mm×4 mm,經(jīng)磨制和拋光后分別做成金相和SEM試樣,經(jīng)4%硝酸酒精進(jìn)行輕腐蝕或深腐蝕,腐蝕時(shí)間分別為30 s和60 s。在XJG04金相顯微鏡上觀察淬火層的組織形貌;用HVS-1000A顯微硬度計(jì)測試淬火層硬度和深度,載荷為0.5 N,時(shí)間為 10 s;用JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡(附帶EDS)、DX-2700型X射線分析儀對復(fù)合滲硫?qū)颖砻媾c橫截面形貌、相結(jié)構(gòu)、磨損表面形貌以及淬火層殘余奧氏體含量進(jìn)行測試分析;采用WS-2005涂層附著力自動劃痕儀測試滲硫?qū)优c基體結(jié)合強(qiáng)度。

1.4 臺架磨損及檢測

被測缸套分別為等離子束淬火和等離子束淬火/滲硫試樣,在CZ2102柴油機(jī)試車臺上全速全負(fù)荷進(jìn)行120 h試驗(yàn),配合環(huán)均為合金鑄鐵活塞環(huán)(硬度300 HV)。試驗(yàn)前后用酒精清洗試件并吹干,采用75-150數(shù)顯電子內(nèi)測千分尺測量試驗(yàn)前后缸套內(nèi)徑,采用活塞環(huán)開口間隙專用測量儀測量試驗(yàn)前后活塞環(huán)開口間隙,試驗(yàn)結(jié)果均取3次測試結(jié)果的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火層組織性能測試分析

圖1示出淬火變速掃描缸套表面宏觀形貌和縱剖面形貌。從圖1a可見,淬火層表面宏觀形貌為交叉網(wǎng)紋硬化帶,與平行螺旋線掃描工藝相比,交叉網(wǎng)紋掃描軌跡可使活塞環(huán)徑向和切向受力更均勻,提高了缸套與環(huán)配副的摩擦學(xué)性能[10]。自下而上,掃描軌跡逐漸趨于清晰,連續(xù)性逐漸提高。從圖1b可見,原材料組織由珠光體+石墨+少量磷共晶+復(fù)合硼化物組成,淬火層縱剖面組織由隱針馬氏體+殘余奧氏體組成,與基體之間沒有明顯的過渡區(qū)。自下而上淬火層的深度在0.114～0.153 mm之間逐漸增大,殘余奧氏體含量在5.2%～3.1%之間減少,馬氏體含量增加,組織尺寸細(xì)小化。

圖1 淬火變速掃描缸套表面宏觀形貌和剖面微觀形貌

表2列出淬火缸套內(nèi)表面不同部位顯微硬度和磨損量的測試結(jié)果。不同部位的顯微硬度自下而上在950～1 043 HV之間逐漸提高,相對原材料硬度300 HV明顯提高。磨損量基本為0.009 mm,表明淬火缸套內(nèi)表面磨損具有“等耐磨性”。等距變速淬火掃描對缸套內(nèi)表面產(chǎn)生的強(qiáng)化效果(如淬火層硬度提高、深度增大等)自下而上逐漸增強(qiáng)[11],與缸套不同部位實(shí)際工作條件(如溫度升高、壓力增大、潤滑條件惡化等)的變化對耐磨性的要求基本一致[12],是其表面磨損具有“等耐磨性”主要機(jī)理所在。

表2 淬火缸套內(nèi)表面不同部位硬度和磨損量

2.2 淬火/滲硫?qū)咏M織性能測試分析

2.2.1 表面和橫截面形貌

圖2示出缸套內(nèi)表面等離子束淬火/滲硫?qū)游⒂^形貌和縱截面形貌。從圖2a可見,滲硫?qū)颖韺拥牧蚧镱w粒尺寸較大,次表層的顆粒尺寸較小,凹凸不平,顆粒間存在明顯的空隙,表明滲硫?qū)颖砻鏋槭杷啥嗫捉Y(jié)構(gòu)。從圖2b可見,滲硫?qū)拥目v剖面形貌為連續(xù)分布的灰白色帶狀,并與基體緊密結(jié)合,沒有明顯的過渡區(qū)域,硫化物與交叉網(wǎng)紋掃描軌跡相互嵌合在一起,屬于典型的冶金結(jié)合。經(jīng)測試,滲硫?qū)拥暮穸茸韵露显?.5～7.6 μm之間逐漸增加,最大增加16.9%。

圖2 淬火/滲硫?qū)颖砻婧涂v截面形貌

2.2.2 X射線衍射譜和結(jié)合強(qiáng)度

圖3示出缸套內(nèi)表面淬火/滲硫?qū)覺射線衍射譜和與基體結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果。從圖3a可見,其相結(jié)構(gòu)由α-Fe+FeS+FeS2組成,其中FeS衍射峰的高度明顯高于FeS2的衍射峰,表明FeS的含量明顯高于FeS2[13]。通過EDS 分析,滲硫?qū)拥腟/Fe自下而上在0.81～0.92之間逐漸增大,說明滲硫?qū)又械牧蚧镏饕猿墲櫥現(xiàn)eS相為主,滲硫?qū)又蠪eS含量逐漸提高,FeS2含量逐漸減少。從圖3b可見,滲硫?qū)优c基體的結(jié)合強(qiáng)度為52.5 N。根據(jù)薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度的定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14],當(dāng)結(jié)合強(qiáng)度在40～60 N 之間時(shí),屬于結(jié)合良好范圍,可見硫化物薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度較高。

圖3 滲硫?qū)覺射線衍射譜和與基體結(jié)合強(qiáng)度

2.2.3 力學(xué)和摩擦學(xué)性能

表3列出淬火/滲硫缸套內(nèi)表面不同部位顯微硬度和磨損量測試結(jié)果。由表3可知,不同部位顯微硬度相對淬火缸套稍有降低,這主要是FeS的硬度較低(HV50-100)所致[15],但淬火/滲硫缸套內(nèi)表面的硬度自下而上在928～1 010 HV之間仍呈逐漸提高變化,這得益于淬火層對滲硫?qū)又螐?qiáng)度的逐漸提高。磨損量基本為0.003 mm,相對淬火缸套減少了66.7%。表明淬火/滲硫缸套內(nèi)表面耐磨性明顯提高,表面磨損仍具有“等耐磨性”。

表3 淬火/滲硫缸套內(nèi)表面不同部位硬度和磨損量

圖4示出淬火/滲硫缸套內(nèi)表面上部和中部的表面磨損形貌。從圖4a可見,上部磨損表面上存在著較多窄而深的犁溝,大部分滲硫?qū)颖韺右言馐芷茐?次表層的硫化物層依然清晰可見,磨損表面上還存在著一定數(shù)量的黏著凹坑。但多數(shù)劃痕比較細(xì)暗,表明劃痕較窄淺。從圖4b可見,缸套中部磨損表面上存在著較多寬而淺的犁溝,大部分滲硫?qū)右廊磺逦梢?但劃痕比較粗亮,表明劃痕較寬深,還有較多的小麻點(diǎn)和明顯的擦傷痕跡。雖然缸套上部和中部內(nèi)表面磨損形貌有所差別,但綜合評定兩部位各種磨損所遭受破壞的程度基本相同,這與表3的測試結(jié)果一致,由此可以推斷缸套內(nèi)表面磨損形貌具有“等耐磨”的特征。

圖4 淬火/滲硫缸套上部和中部內(nèi)表面磨損形貌

試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為,由于淬火層中的殘余奧氏體含量自下而上逐漸減少,馬氏體含量逐漸增加,馬氏體的擴(kuò)散系數(shù)大于殘余奧氏體[16],組織尺寸細(xì)小化,晶界面積增大。低溫離子滲硫時(shí),S離子向基材內(nèi)擴(kuò)散通道和擴(kuò)滲深度逐漸增加[17],Fe離子向基材外濺射速度提高,有利于FeS的大量生成,抑制FeS2生成[18],所以滲硫?qū)雍穸群蚐/Fe以及FeS含量自下而上逐漸增加,FeS2含量減少。FeS2為正交或立方晶體結(jié)構(gòu),不具有固體潤滑性能,而FeS為密排六方晶體結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的固體潤滑性能[19],從而表現(xiàn)出較好的減摩性能。滲硫?qū)雍穸仍酱?減摩抗磨維持的時(shí)間越長。淬火層硬度自下而上逐漸提高,為FeS提供的支撐作用增強(qiáng)[20],與缸套不同部位實(shí)際工作條件(如溫度升高、壓力增大、潤滑條件惡化等)的變化對耐磨性的要求基本一致,是其表面磨損仍具有“等耐磨性”主要機(jī)理所在。

2.3 活塞環(huán)與缸套配副性測試分析

表4列出環(huán)與淬火缸套和淬火/滲硫缸套配副時(shí)開口間隙增大量的測試結(jié)果。由表4可知,在相同的試驗(yàn)條件下,環(huán)與淬火缸套配副開口間隙增大量較大,為0.049 mm,而與淬火/滲硫缸套配副開口間隙增大量較小,僅為0.017 mm,與淬火缸套配副相比,減小了65.3%,表明淬火/滲硫復(fù)合處理有利于改善環(huán)與缸套的匹配性。

表4 活塞環(huán)開口間隙增大量

圖5示出環(huán)與淬火缸套和淬火/滲硫缸套配副時(shí)外表面的磨損形貌。從圖5a可見,與淬火缸套配副環(huán)磨損表面上存在著明顯的黏著凹坑和腐蝕脫落現(xiàn)象,凹坑周圍存在著明顯的黏著撕裂痕跡,有較多寬而深的犁溝和明亮的劃痕,磨損表面還存在著一些磨?；蚰バ妓槠?顯然其磨損機(jī)制以黏著磨損為主、腐蝕磨損和磨粒磨損為輔。從圖5b可見,與淬火/滲硫缸套配副環(huán)磨損表面上存在著較多的寬而淺的犁溝和劃痕,犁溝和劃痕的深度明顯減小,磨損表面上還黏附有少量的硫化物薄膜,表明缸壁表面的硫化物薄膜向環(huán)磨損表面發(fā)生了轉(zhuǎn)移,顯然其磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。

圖5 與不同缸套配副環(huán)的表面磨損形貌

研究表明,配磨材料的硬度差為零時(shí)磨損最小[21]。缸套內(nèi)壁經(jīng)等距變速淬火掃描后,顯微硬度由300 HV升高至950～1 043 HV,配副環(huán)的硬度僅為300 HV,與淬火缸套硬度差較大。發(fā)動機(jī)工作時(shí),缸壁如堅(jiān)硬的銼刀,環(huán)如被銼削的材料,環(huán)的磨耗較大。再者,環(huán)的硬度很低時(shí),在接觸載荷作用下接觸峰點(diǎn)的應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度時(shí)而產(chǎn)生塑性變形,在跑合階段因機(jī)油潤滑不良而發(fā)生黏著磨損。所以環(huán)與淬火處理缸套配副工作時(shí),其磨損機(jī)制以黏著磨損為主,環(huán)表面磨損較嚴(yán)重,開口間隙增大量較大,配副性較差。

研究表明,欲減少摩擦對偶件的摩擦磨損,對偶件材料須具有良好的減摩和儲油性[22]。滲硫?qū)拥南嘟Y(jié)構(gòu)由α-Fe+FeS+FeS2組成,表面為疏松多孔結(jié)構(gòu),具有良好的儲油性能,有利于潤滑油膜的建立,硫化物層主要以超級潤滑F(xiàn)eS相為主,具有優(yōu)良的減摩作用。發(fā)動機(jī)工作時(shí),環(huán)與缸套表面之間的摩擦磨損主要發(fā)生在潤滑油膜和FeS超級潤滑層之間,降低甚至避免了黏著磨損現(xiàn)象的發(fā)生,所以環(huán)與淬火/滲硫缸套配副工作時(shí),磨損機(jī)制以磨粒磨損為主,環(huán)表面磨損較輕,開口間隙增大量明顯減小,配副性得以改善。

3 結(jié)論

a) 硼鑄鐵缸套經(jīng)等距變速等離子束淬火處理后,淬火層組織由隱針馬氏體+殘余奧氏體組成;隨掃描速度逐漸降低,自下而上,殘余奧氏體含量逐漸減少,馬氏體含量增加,尺寸細(xì)小化,硬度提高,不同部位的磨損量均在在0.009 mm以下,表面磨損形貌具有“等耐磨”的特征;

b) 淬火/滲硫缸套組織主要由α-Fe+FeS+FeS2組成,自下而上,FeS厚度和含量逐漸增加,淬火層對FeS支撐強(qiáng)度逐漸提高,不同部位的磨損量均在0.003 mm以下,表面磨損形貌具有“等耐磨”的特征;

c) 在相同的臺架試驗(yàn)條件下,環(huán)與淬火缸套配副時(shí)開口間隙增大了0.049 mm,與淬火/滲硫缸套配副時(shí)開口間隙僅增大了0.017 mm,淬火/滲硫復(fù)合處理有利于改善缸套與活塞環(huán)的匹配性,延長發(fā)動機(jī)的整體使用壽命。